KR20050067183A - 전압 분배기 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저항기 어레이(20)의 분산형 기생 커패시턴스를 보상하는 보상 구조체(10)가 저항기 어레이(20)와 기판(50) 사이에 배열되는 주파수-독립형 전압 분배기에 관한 것이다. 그것에 의해 보상 구조체(10)가 저항기 어레이(20)를 기판(50)으로부터 부분적으로 차폐하므로 기생 커패시턴스를 차폐하게 된다. 이것이 보상을 향상되게 한다.

Description

전압 분배기 장치{FREQUENCY-INDEPENDENT VOLTAGE DIVIDER}
본 발명은 기준 단자, 기준 단자에 대한 입력 신호를 수신하기 위한 입력 단자, 기준 단자에 대한 출력 신호를 공급하기 위한 출력 단자 및 기판 상에 배열되며 입력 단자와 기준 단자 사이에 결합되는 저항기 어레이를 포함하는 전압 분배기 장치에 관한 것이다.
이러한 전압 분배기 장치에서, 각각의 보상 캐패시터는 주파수-독립형 전압 분배 기능을 제공하기 위해 집적된다. 주파수-독립형 전압 분배기는 현재의 일반적인 기술 수준에서 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,100,750호에는, 도입 단락에서 정의된 종류의 주파수-독립형 전압 분배기 장치가 개시되어 있는데, 여기서는 한 측이 입력 단자에 결합되고 다른 측은 저항기 어레이에 결합되는 분산형 보상 캐패시터가 분산형 방식으로 제공된다. 특히, 이 분산형 보상 캐패시터는 저항기 어레이의 도전체 트랙, 그 도전체 트랙을 적어도 부분적으로 덮으면서 입력 단자에 결합되는 추가 도전체 트랙 및 추가 도전체 트랙으로부터 도전체 트랙을 절연시키는 절연체로 이루어진다.
도 1은 주파수-독립형 전압 분배기의 개략적인 회로도를 도시하고 있다. 저항기 어레이는 2개 이상의 저항기(R1 내지 RM+1)를 갖는 저항기의 직렬 배열을 포함한다. 직렬 배열의 임의의 노드는 기생(parasitic) 캐패시터(CPk)에 의해 부하가 걸릴 수 있다. 보상 캐패시터(CCMPk)는 대응하는 임의의 노드와 회로도 좌측에 배열되는 입력 단자 사이에 결합된다. 따라서, 저항기(R)의 분산형 기생 커패시턴스(CP)가 분산형 보상 커패시턴스(CCMP)에 의해 보상된다. 도 1에서, 회로도 우측편의 마지막 노드(M+1)는 접지되는 것으로 가정한다.
주파수 독립 저항성 동작을 달성하기 위해, 각 노드 상의 용량성 전압 분배와 저항성 전압 분배가 정확히 일치해야 한다. 이것은 다음 식이 모든 k(k=1,2,...M)에 대해 충족되어야 된다는 것을 의미한다.
만일 위 식이 충족되면, 입력 단자로부터 노드로의 모든 신호 전송은 입력 신호에 대해 주파수-독립적이 된다. 그러므로, 모두 주파수-독립적인 복수의 출력 신호를 얻기 위해, 복수의 출력 단자를 복수의 노드에 결합시킬 수 있다.
실용적인 실시예에서, 전술한 원리에 기초한 주파수-독립형 전압 분배기는 집적된 저항기에 의해 실현될 수 있다. 이 경우, 집적된 저항기는 M이 거의 무한인 무한개의 극소 직렬-접속 저항기(R 내지 RM+1)로 고려된다.
도 2는 전술한 종래 기술에서 설명된 바와 같은 구불구불한 형상을 갖는 구부러진 집적된 저항기(20)의 평면도이다. 전술한 기준을 만족시키기 위해, 분산형 보상 캐패시터(10)가 저항기 어레이(20)의 상단에 도전층을 형성하여 생성되고 절연층(30)에 의해 분리된다. 집적된 저항(20)은 입력 단자(2)와 기준 단자(1) 사이에 접속되며, 분산형 보상 커패시턴스(10)도 입력 단자(2)에 접속된다.
도 3은, 집적된 저항기(20)가 제 1 절연체(40)에 의해 기판 또는 핸들 웨이버(50)로부터 절연되고, 제 2 절연층(30)에 의해 집적된 저항기(20)로부터 절연되는, 예를 들어, 도전 트랙(10)과 같은 분산형 보상 캐패시턴스을 통해 보상이 이루어지는 주지의 주파수-독립형 전압 분배기의 측면도를 도시하고 있다. 지수 k가 낮은 경우, 비율 CPk/CCMPk는 영(zero)에 근접해야 한다. 이것은 CCMPk가 무한대로 증가해야 한다는 것을 의미할 것이다. 그러나, 이것은 집적된 저항기(20) 몸체 폭이 제한됨으로 인해 달성될 수 없다. 결과적으로, 보상에서 오류가 필연적으로 발생하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조한 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 상세히 설명할 것이다.
도 1은 주파수-독립형 전압 분배기의 개략적인 등가 회로도를 도시하고 있다.
도 2는 주지의 주파수-독립형 전압 분배기의 레이아웃에 대한 평면도를 도시하고 있다.
도 3은 도 2의 주지의 주파수-독립형 전압 분배기의 측면도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수-독립형 전압 분배기의 측면도를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수-독립형 전압 분배기의 평면도를 도시하고 있다.
도 6은 접속 단자를 갖는 바람직한 실시예에 따른 주파수-독립형 전압 분배기의 단면도를 도시하고 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 기생 커패시턴스의 보상을 향상시킬 수 있는 주파수-독립형 전압 분배기 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에서 청구된 바와 같은 전압 분배기 장치에 의해 달성될 수 있다.
따라서, 주파수-독립형 전압 분배기를 구성하는 새로운 방식이 제안된다. 기생 커패시턴스의 영향은 저항기 어레이와 기판 사이에 배열되는 보상 커패시턴스 구조체체에 의해 보상된다. 이 새로운 방식의 구성은 보다 양호한 보상을 제공하며 주지의 구성에서는 불가능한 집적 회로 공정 또는 상황에서 이들 전압 분배기의 사용에 대한 새로운 가능성을 제시한다. 보상 구조체체가 저항기와 기판 사이에 위치된다는 사실로 인해, 보상 구조체가 저항기를 기판으로부터 부분적으로 차폐하므로(shields), 기생 커패시턴스를 차폐하게 된다. 주지의 분산형 저항기에서와 같이, 저항기의 모든 세그먼트(segment)의 기생 커패시턴스는 동일하며, 본 발명에 따른 분산형 저항기에서, 기생 커패시턴스 면적과 보상 커패시턴스 면적의 합은 같다. 이로 인해, k가 낮은 경우에 대해서도 영에 근접하는 기생 커패시턴스와 보상 커패시턴스 사이의 비율을 달성할 수 있게 되므로 보상이 더 양호해 진다.
저항기 어레이는 구불구불한 형상을 가질 수 있으며 폴리-실리콘으로 구성될 수 있다. 분산형 보상 커패시턴스 구조체는 사전결정된 형상, 예를 들어, 삼각 형상의 도전층을 포함할 수 있고, 적합한 도전 재료, 예를 들어, 고농도로 도핑된 실리콘으로 구성될 수 있다. 또한, 분산형 보상 커패시턴스 구조체는 적합한 비전도 재료, 예를 들어, 실리콘 다이옥사이드로 구성될 수 있는 각각의 절연층에 의해 저항기 어레이 및 기판으로부터 분리될 수 있다. 절연층들 사이의 분산형 보상 커패시턴스 구조체의 이 배열은 적용되는 IC 공정에 따라 절연층이 주지의 종래 구조체에서보다 큰 전압에 견딜 수 있는 추가적인 장점을 제공한다.
다른 유리한 점은 종속항에 정의되어 있다.
구불구불한 형상의 저항기 어레이(20)를 갖는 집적된 전압 분배기에 기초하여 바람직한 실시예를 설명할 것이다.
도 4는 바람직한 실시예에 따른 주파수-독립형 전압 분배기의 측면도를 도시하고 있다. 도 3의 주지의 구조와는 대조적으로, 분산형 보상 커패시턴스 구조체(10)는 기판(50)으로부터 저항기 어레이(20)를 차폐한다. 그것에 의해 분산형 기생 커패시턴스도 차폐된다. 도 3의 주지의 설계에서는 저항기 어레이(20)의 모든 세그먼트의 기생 커패시턴스가 동일하지만, 이 실시예에서는 기생 커패시턴스(CPk) 면적과 보상 커패시턴스 면적(CCMPk)의 합이 같다. 주지의 설계에서는 CCMPk가 무한대로 증가해야하므로 가능하지 않았지만, 이 실시예에서는 낮은 값의 k에 대해서도 영에 근접하는 CPk/CCMPK 비율을 달성하는 것이 가능하기 때문에 보상이 더 양호해진다.
최적 보상을 달성하기 위해, 분산형 보상 커패시턴스 구조체의 보상층의 폭(Dk)은 모든 k(=1,2,,...M)에 대해 결정되어야 한다. 이것을 달성하기 위해, 저항기 어레이(20)의 저항은 모든 세그먼트 k에 대해 동일하고, 즉, R1=R2=...=R3라고 가정한다.
또한, CPk=CPsq ㆍ(DR-Dk)ㆍWR인데, CPsq는 저항기의 단위 면적당 기생 커패시턴스이고, WR은 저항기 어레이(20)의 저항기 몸체의 폭이며, DR은 저항기 세그먼트의 길이 또는 총 저항기 레이아웃의 폭이고, DK는 세그먼트 k에서의 보상 커패시턴스 구조체의 폭이다.
결과적으로, 보상 커패시턴스는 다음과 같이 계산될 수 있다.
식[1]에 기초하여 다음 식을 얻을 수 있다.
위 식[3]으로부터 보상 구조체(10)의 폭이 다음과 같이 계산될 수 있다.
보상 커패시턴스 구조체(10)의 결과적 형상은 도 5에 도시된 바와 같은 삼각 형상이다. 이 보상 구조체(10)는 저항기 어레이(20)와 기판(50) 사이에 배열되고 상하부 절연층(30,40)에 의해 분리된다. 상부 절연층(30) 및 하부 절연층(40) 모두는, 예를 들어, 실리콘 다이옥사이드 또는 다른 적합한 비전도성 재료에 의해 구성될 수 있다. 보상 커패시턴스 구조체(10)는 고농도로 도핑된 실리콘 또는 다른 적합한 도전 재료로 구성될 수 있으며, 저항기 어레이(20)는 폴리-실리콘으로 구성될 수 있다.
도 6은 각각의 접속 단자(1,2,3)를 갖는 제안된 주파수-독립형 전압 분배기의 등가 도면을 도시하고 있다. 구불구불한 저항기 어레이(20)에 입력 단자(2), 출력 단자(3) 및 기준 단자(1)가 제공되며, 기준 단자(1)는 기판(50) 및 전기 접지 레벨에 접속된다. 또한, 보상 커패시턴스 구조체의 차폐 기능이 확실히 수행되는 등가 기생 커패시턴스가 개략적으로 도시되어 있다.
제안된 향상된 주파수-독립형 전압 분배기는 특히 텔레비전의 RGB 증폭기, 집적회로, 라디오 주파수(RF) 증폭기, 오실로스코프의 프로브 등과 같은 고주파수 애플리케이션에 이용될 수 있다.
본 발명은 전술한 바람직한 실시예에 한정되지 않으며 저항기 어레이의 분산형 기생 커패시턴스를 보상하기 위한 분산형 보상 커패시턴스가 제공되는 어떠한 전압 분배기 장치에서도 이용될 수 있다. 특히, 저항기 어레이(20) 및 보상 커패시턴스 구조체(10)는 요구되는 보상, 예를 들어, 식[1]에 설정된 식을 만족시키는 것을 얻기 위해 어떠한 적합한 형태로도 제공될 수 있다. 또한, 어떠한 다른 적합한 도전성 재료도 저항기 어레이(20) 및 보상 커패시턴스 구조체를 구현하기 위해 이용될 수 있다. 따라서 바람직한 실시예는 첨부된 청구 범위 내에서 다양화될 수 있다.

Claims (7)

  1. 전압 분배기 장치로서,
    기준 단자(1)와,
    상기 기준 단자(1)에 대한 입력 신호를 수신하는 입력 단자(2)와,
    상기 기준 단자(1)에 대한 출력 신호를 공급하는 출력 단자(3)와,
    기판(50) 상에 배열되며 상기 입력 단자(2)와 상기 기준 단자(1) 사이에 결합되는 저항기 어레이(a resistor arrangement: 20)를 포함하고,
    분산형 기생(parasitic) 커패시턴스의 영향을 보상하는 분산형 보상 커패시턴스 구조체(10)가 상기 저항기 어레이(20)와 상기 기판(50) 사이에 배열되는
    전압 분배기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기 어레이(20)는 구불구불한 형상(a meandering shape)을 갖는
    전압 분배기 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저항기 어레이(20)는 폴리-실리콘으로 구성되는
    전압 분배기 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분산형 보상 커패시턴스 구조체(10)는 사전결정된 형상의 도전체층을 포함하는
    전압 분배기 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 사전결정된 형상은 삼각 형상(a triangular shape)인
    전압 분배기 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 도전체층의 수평 방향으로의 폭은 다음 식에 따라 결정되며,
    CPsq는 저항기의 단위 면적당 기생 커패시턴스를 나타내고, DR은 상기 저항기 어레이(20)의 길이를 나타내며, k는 상기 저항기 어레이(20)의 한 세그먼트의 지수(index)를 표시하고, M은 상기 저항기 어레이(20)의 세그먼트의 총 수를 나타내며, CCMPsq는 저항기의 단위 면적당 분산형 보상 커패시턴스를 나타내고 Dk는 상기 도전층의 상기 폭을 나타내는
    전압 분배기 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분산형 보상 커패시턴스 구조체(10)가 각각의 절연층(30,40)에 의해 상기 저항기 어레이(20) 및 상기 기판(50)으로부터 분리되는
    전압 분배기 장치.
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